Матеріали

Діелектричний матеріал	, Ом-см	Еміт В/см
Кварцове скло	10^16-10^18	2-3·10^5
Поліетилен	10^15-10^16	4·10^5
Слюда	10^14-10^16	1 - 2·10^6
Електрофарфор	10^13-10^14	3·10^5
Мармур	10^8- 10^9	2-3·10^5

Носіями струму в діелектриках є електрони та іони. Електро­провідність діелектриків зумовлена тими ж причинами, що й елек­тропровідність напівпровідників. У звичайних умовах електро­нна провідність діелектриків мала порівняно з іонною. Іонна про­відність спричинюється переміщенням як власних іонів, так і до-мішкових.

Можливість переміщення іонів по кристалу тісно пов'язана з дефектністю кристала. Якщо, наприклад, у кристалі наявні ва­кансії (незайняті іонами вузли ґратки), то під дією поля іон може перескочити на сусіднє з ним вакантне місце, а на місці цього іона утворюється нова вакансія. У цю новоутворену вакансію може перескочити інший іон, тобто відбувається упорядкований у напрямку поля рух вакансій, який приводить до перенесення заряду через весь кристал і виникнення струму.

Переміщення іонів може відбуватися і по міжвузловому прос­торі. Підвищення температури спричинює збільшення кількості іонів у цьому просторі і зумовлює зростання провідності. Суттє­вий вклад у загальну провідність може внести також поверхнева провідність.

Об'ємна і поверхнева електропровідність. Загальний опір тіла з постійним поперечним перерізом s і довжиною l визначається за формулою:

(5.11)

де ρ - питомий об'ємний опір матеріалу,

(5.12)

У системі СІ питомий опір визначається в Ом·м.

1 Ом·м = 100 Ом·см = 10⁶ Ом·мм²/м = 10⁶мкОм·м = 10⁸мкОм·см.

Для вивчення електропровідності твердого діелектричного матеріалу зразок з цього матеріалу розміщують між: двома ме­талічними електродами, до яких підводиться електрична напру­га (рис. 5.27). Струм витікання І, який проходить крізь товщу ма­теріалу і стабілізується за достатньо великий проміжок часу піс­ля включення зразка під постійну напругу U, також є постійним.

Е лектроопір R_із, поміщено­го між електродами відрізка ізоляції становить:

R_із= U/І_із , Ом.(5.4) ^v

Провідність ізоляції G_із - величина, обернена R_із.

G_із=l/R_із= I_із/U, См. (5.5)

Крім об'ємної провідності ізоляції G, яка кількісно визна­чає можливість протікання струму через товщу ізоляції, необхідно враховувати також поверхневу провідність ізоля­ції G_s, яка характеризує мож­ливість протікання струму по зволоженій і забрудненій по­ верхні діелектрика.

Поверхневий R_n і об'ємний R опори ізоляції, а також поверхне­вий / і об'ємний І струми визначають за формулами:

.

( 5.6)

(5.7) .

З рис. 5.27 видно, що

(5.8)

Так що (5.9)

або (5.10)

Тобто опір ізоляції визначається як результуюча двох опорів, увімкнених паралельно один до одного між електродами ►об'є­много і ►поверхневого опорів.

Величина питомого електроопору діелектрика залежить від наявності >домішок, >вологості, >температури, >значення при­кладеної напруги та ін. Найбільший вплив на питомий опір гігрос­копічних діелектриків, тобто таких, які здатні поглинати воло­гу, має поглинута діелектриком волога. Присутність навіть ма-

лої кількості вологи може значно зменшити питомий опір діелект­рика. Це пояснюється тим, що розчинені у воді домішки дисоцію­ють на іони. Діелектрична проникність води висока і сприяє дисо­ціації молекул самого діелектрика. Тому умови роботи електри­чної ізоляції погіршуються при її зволоженні.

Особливо сильно знижується ρ при зволоженні волокнистих матеріалів, в яких волога може утворювати суцільні плівки на поверхні волокон і утворювати електропровідні канали, які про­низують весь діелектрик від одного електрода до іншого. Для за­хисту гігроскопічних матеріалів від дії вологи ці матеріали про­сочують або покривають негігроскопічними лаками, компаунда­ми тощо, які значно зменшують або унеможливлюють зволоження матеріалу. Волога не знижує ρ суцільних негігроскопічних мате­ріалів.

Поверхневі шари електричної ізоляції, твердих діелектриків завжди зволожуються і забруднюються, і в них з'являється поміт­на поверхнева електропровідність, яка характеризується питомим поверхневим опором ρ_s. У металічних провідниках поверхневі стру­ми у зволоженому шарі надзвичайно малі порівняно з об'ємними і тому не враховуються.

П оверхневий питомий опір ділянки поверхні твердого діелект­рика між паралельними окрайками електродів довжиною b, розміще­ними на відстані а одна від одної (рис. 5.28), прямо пропорційний величині b і обернено пропорційній величині а:

(5.13)

Розмірність ρ_s співпадає з роз­ мірністю опору, тому що величи­ на R виражається в омах, а відно­ шення b/а безрозмірне. Враховую­ чи, що ρ_sє опір умовного квадра- Рис. 5.28. Схема пристрою та будь-якого периметра (величи- для визначення поверхневого ни) на поверхні діелектрика, якщо електроопору

струм тече з однієї сторони квадрата до протилежної, то за а=b отримуємо R_s = ρ_s.

Пробій твердого діелектрика. Пробій твердого діелектрика зу­мовлюється утворенням у ньому провідного каналу, в якому гу­стина струму набагато більша, ніж середня у зразку. Внаслідок виділення в каналі великої кількості джоулевого тепла відбува­ється руйнування матеріалу (►проплавлення, ►обвуглення, ►роз­тріскування тощо) і пробій твердого діелектрика викликає не-зворотне руйнування матеріалу.

У реальних твердих діелектриках пробій настає за менших зна­чень Е, ніж в ідеально однорідних, тому що різні неоднорідності полегшують його виникнення.

Фізична картина пробою твердих діелектриків за різних умов суттєво відрізняється. Розрізняють два основні види пробою: > електричний і > електротепловий.

* Електричний пробій - це безпосереднє руйнування діелек­трика силами електричного поля.

Вторинні процеси (нагрів, розтріскування), які можуть відбу­ватися в діелектрику під дією поля, за чисто електричного про­бою не відбуваються. Електричний пробій викликається взаємо­дією пришвидшених електричним полем вільних заряджених час­тинок (електронів та іонів) з молекулами діелектрика або внаслі­док непружного зміщення в діелектрику під дією електричного поля зв'язаних зарядів. Електричний пробій характеризується:

→ малим часом (порядку мікросекунд) протікання пробою. Якщо пробій не відбувся невдовзі після прикладення напруги, то мало ймо­вірно, що чисто електричний пробій взагалі відбудеться;

→ слабкою залежністю Е_пр від частоти прикладеної напруги;

→ малою залежністю електричної міцності від температури;

→відносно малою залежністю електричної міцності від роз­мірів діелектрика і електродів

Електротепловий пробій. У діелектрику, який перебуває в еле­ктричному полі, виділяється тепло діелектричних втрат. За дії постійної напруги ці втрати тим більші, чим вища прикладена напруга і більша питома провідність γ матеріалу. За дії змінної напруги питомі діелектричні втрати тим більші, чим вищі значен­ня є tgδ матеріалу і чим вища частота f напруги.

Е лектротепловий пробій (рис. 5.29) розвивається насту­пним чином: під дією електри­чної напруги в діелектрику виділяється тепло, зростає те­мпература діелектрика і діеле­ктричні втрати.

Процес підсилюється до моменту руйнування діелект- Рис. 5.25. Схема утворення у рика в результаті нагріву твердому діелектрику каналу при (буде розплавлений, обвугле- тепловому пробої: 1, 3 - металеві ний, пронизаний тріщинами і електроди; 2 - діелектрик; 4 - т. п.) і пробій у ньому відбу- канал з підвищеною провідністю - деться за настільки низької на- напрям теплового пробою

пруги, за якої він при низькій температурі в непошкодженому діе­лектрику не мав би місця. Для виникнення пробою достатньо ло­кального розігріву діелектрика на будь-яких неоднорідностях ма­теріалу, середня ж температура всього об'єму діелектрика може суттєво і не підвищуватися. Якщо коефіцієнт діелектричних втрат за дії змінної напруги або питома провідність за постійної напру­ги малі і викликають незначне та повільне підвищення темпера­тури, а коефіцієнт теплопровідності діелектрика великий і тепло швидко відводиться з локальної зони нагріву, то розвиток тепло­вого пробою гальмується і діелектрик може тривало працювати, не руйнуючись, за відносно високої напруги.

Електрична міцність для випадку електротеплового пробою (за змінної напруги) залежить від ►частоти напруги, ►температу­ри, ►товщини шару діелектрика й ►умов охолодження, а також ►трьох фізичних параметрів даного діелектрика:

> коефіцієнта теплопровідності 𝝀;

> коефіцієнта діелектричних втрат  tgδ;

> температурного коефіцієнта втрат α.

Чим більший коефіцієнт діелектричних втрат, температурний коефіцієнт втрат, час прикладення напруги і чим нижчий коефіці­єнт теплопровідності матеріалу, тим сприятливіші умови для ви­никнення теплового пробою.

ЗАПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОТРОЛЮ

1. Опишіть процес електропровідності в газоподібних діелек­триках.

2. Опишіть особливості газів, рідин і твердих тіл стосовно вимог, що ставляться до електричної ізоляції.

3. Наведіть класифікацію діелектриків за їх властивостями і галузями застосування.

4. Який склад нафтових електроізоляційних олив?

5. Які вимоги ставлять до електроізоляційних олив, що засто­совуються у трансформаторах?

6. Від яких чинників залежить електрична міцність рідких діе­лектриків?